우주 폭발 빅뱅(Big Bang) 때의 이야기

우주는 에너지와 질량과 공간이 존재하는 곳이다. 이 우주가 어떻게 탄생하게 되었는지 아무도 확실하게 모른다. 과학자들은 우주 탄생 최초의 순간을 ‘빅뱅’이라 부르면서, 그 때를 여러 이론으로 설명하고 있다. 우주 역사상 규모가 가장 큰 폭발이었던 빅뱅 이전에는 시간, 공간, 물질, 에너지 아무것도 존재하지 않았다. 빅뱅은 우주의 시작인 동시에 수소와 헬륨을 비롯한 모든 물질이 탄생토록 하는 시작이었다. 물질은 에너지가 될 수 있고, 에너지는 물질이 될 수 있다. 시간과 공간도 빅뱅에서부터 시작되었다. 우주에는 물질과 에너지가 혼재(混在)한다. 과학 시간에 배우는 중요한 물리법칙들은 모두 물질과 에너지의 성질에 대한 것이다.

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빅뱅 때의 최소, 최대의 측정 단위

140억 년 전에 일어난 빅뱅의 상황을 바르게 상상한다는 것은 불가능한 일이다. 빅뱅에 대한 과학자들의 이론 중에 대표적인 것이 대통일 이론(Grand Unification, GUTs)이다. 이 이론에 의하면, 빅뱅이 시작된 원점(原點)은 초질량(무한 질량)을 가진 지극히 작은 점(입자)이었다. 그 입자는 10에 0을 14개 붙인 기가볼트(gigaelectrovolts, GeV)의 에너지를 가지고 있었고, 온도는 10에 0을 28개 붙인 켈빈(kelvin 절대온도)이었으며, 원점 1cm3의 질량은 10에 0을 80개 붙인 그램이었다.(중성자만으로 이루어진 초질량을 가진 중성자별의 1그램 질량은 10에 0을 15개 붙인 그램이다.)

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빅뱅이 일어난 시간은 0에서부터 10에 0을 43개 붙인 수 분의 1초 동안이었다. 우주 탄생 최초의 이 순간을 천문학자들은 플랑크 에러(Plank Era)라 한다. 플랑크 에러 이후부터 우주의 물질과 에너지는 광속에 가까운 속도로 팽창하기 시작했다.

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빅뱅과 관련된 수치들은 우주에 존재하는 가장 작은 단위인 동시에 가장 큰 단위라고 할 것이다. 그래서 빅뱅 시대(플랑크 에러)의 크기, 시간, 규모를 말할 때 Plank size, Plank time, Plank scale이라는 표현을 쓰고 있다.

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플랑크 에러 바로 뒤에 이어지는 순간의 시간을 GUT 에러(GUT Era)라 말하는데, 이때 4가지 우주의 에너지가 생겨난다. 전자기력(electromagnetic force)과 원자가 가진 강력(strong nuclear force)과 약력(weak nuclear force) 그리고 중력(gravitational force)이다.

플랑크 에러와 GUT 에러 이후에 나타난 우주의 에너지 4가지를 설명한다.

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물질의 최소 단위인 원자는 다수의 소립자들로 구성되어 있다. 도표는 현재까지 알려진 소립자들의 종류를 분류하여 나타낸다.​​

팽창하는 우주

20세기 초, 미국의 천문학자 허블(Edwin Hubble 1889-1953)과 휴메이슨(Milton Humason 1891-1972)은 우리 은하계 바깥의 무수한 은하(galaxy)들을 관찰하던 중, 그 은하들이 모두 지구로부터 거리가 멀어지고 있으며, 원거리에 있는 은하일수록 더 빠르게 멀어지고 있다는 사실을 발견했다. 이 사실이 확인되면서 우주는 팽창하고 있다는 것을 알게 되었으며, 이를 ‘허블의 법칙’이라 하고 있다.​

하나의 시야에 대단히 많은 은하들이 보인다. 이들은 지구로부터 또한 서로 간의 거리가 점점 더 멀어지고 있다. 고무풍선 표면에 몇 개의 검은 점을 찍어두고 풍선에 바람을 불어 넣으면, 풍선이 확대될 때마다 점들 사이의 거리가 서로 더 멀어진다. 이런 현상은 우주(풍선)가 팽창하고 있다는 것을 증명한다.​

천문학자들은 멀어져 가는 은하들이 수억 년 동안 지나온 길을 뒷걸음 치도록(마치 영화필름을 역회전시켜보듯이) 해보았을 때, 그들 전부가 한 점(single point)으로 집중된다는 사실을 발견했다. 우주가 한 점에서 대폭발하면서 시작되었다는 빅뱅설은 이 발견에서 비롯되었다.

우주가 탄생한 빅뱅 순간을 올바르게 표현한다는 것은 무리한 일이라고 천문학자들은 말한다. 그러나 우주의 시작점인 빅뱅에 대해 조금이나마 이해해보자, ‘폭발’이라고 하면 지극히 짧은 순간에 엄청난 속도로 에너지가 터져 나오는 현상을 말한다. 그런데 어떤 화약 폭발도 빅뱅처럼 빠른 시간 안에 진행된 경우는 없다.​

빅뱅이 일어난 그 원점에는 에너지가 무한히 응축되어 있었고, 폭발 시간은 너무나 순간이었다. 빅뱅이 일어나면서 원점에 있던 엄청난 에너지의 일부는 차츰 수소와 헬륨 같은 물질이 되어 별과 은하계를 탄생하도록 했다. 즉 폭발에 의해 퍼져나간 물질과 에너지가 사방으로 흩어지면서 현재와 같은 은하와 별들의 우주를 탄생시킨 것이다.

이 그림은 빅뱅에서부터 138억 2,000만(약 140억) 년이 지난 현재까지의 우주 역사를 시간대별로 표현한다. 한 순간 빅뱅이 일어나고 부터 0.001초-3분 사이에 소립자(쿼크)들로부터 원자의 핵을 이루는 양성자, 중성자, 전자, 중성미자(neutrino)가 형성된다. 3분부터 380,000년 사이의 우주는 수소와 헬륨이 가득한 걸쭉한 죽(soup) 상태였다. 그리고 2억 년이 지나서야 별과 은하들이 생겨나기 시작한다. 380,000년부터 10억 년 사이에 암흑기(dark ages)라 부르는 때가 있었다. 물질이 죽처럼 가득한 상태에서는 광자(빛)가 지나갈 공간이 없었으므로 ‘빛이 없던 시간’이었다는 것을 나타낸 것이다.

cosmic inflation:우주팽창, particles form: 소립자(쿼크)의 형성​

우주의 온도

빅뱅 당초의 초고온(에너지)은 우주가 팽창하면서 흩어져갔다. 우주 곳곳의 온도는 상황에 따라 다르다. 별의 중심부처럼 뜨거운 곳도 있지만, 우주 공간은 열이 거의 없다. 우주망원경의 관측에 의하면, 우주 배경의 온도는 대부분 영하 270°(절대온도 3°)이고, 절대온도가 0.00001°인 공간도 있다. 우주 공간에서 높은 열이 나오는 곳은 은하와 별과 행성들이 있는 곳이다.​

NASA가 최근에 설치한 제임스웹우주망원경은 팽창하고 있는 우주의 끝 가까운 곳도 관찰하고 있다. 그곳에는 가장 먼저 탄생한 은하와 별들이 있다.​

물리학자들은 암흑에너지(dark energy)와 암흑물질(dark matter)이 우주공간의 96%를 채우고 있다는 설명도 한다. 암흑에너지란 중력과 반대되는 이론적인 힘이고, 암흑물질은 탐색이 불가능한 이론적인 물질이다. 그렇다면 현재 우리는 우주의 5%만을 겨우 알고있는 상태이다. 일반인들에게는 상상이 안 되는 이야기이다.​

병(우주) 속에 가득한 검은 콩은 암흑물질이고, 색을 가진 콩들이 직접 볼 수 있는 은하들이다. 우주의 96%는 암흑물질(26.5%)과 암흑에너지(69.5%)이고, 5%만이 현재 관측이 되는 은하와 별들의 우주이다.​​

그러면 팽창하고 있는 이 우주는 언제까지 부풀기를 계속할 것인가? 너무 어려운 문제이기 때문에 아무도 정확히 알 수 없다. 한 이론에 의하면 0을 26개 붙인 억년이라고 한다. 우주 탄생에 대한 여러 설명이 있지만, 과학자들이 현재까지 알아낸 것은 극히 조금뿐이다. 암흑물질, 암흑에너지, 중력파, 소립자 물리학에 대한 지식이 계속 필요하다. 그래서 천문학 공부에서 가장 흥미로운 부분은 아마도 빅뱅과 우주 팽창에 대한 이야기일 것이다. – YS